KEMI-TORNION AMMATTIKORKEAKOULU Tutkimus teräksen EN 1.4512 rajamuovattavuudesta Advanced Strain Analysis Päivi Juntunen Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelman opinnäytetyö Konetekniikka Insinööri(AMK) KEMI 2010
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ I ALKUSANAT Haluan esittää kiitokset kaikille, jotka ovat jollain tapaa vaikuttaneet tämän opinnäytetyön toteutumiseen ja valmistumiseen. Erityiskiitokset opinnäytetyön toimeksiantajalle Kemi- Tornion ammattikorkeakoulun Tekniikan T&K-osastolle ja siellä erityisesti TkL Timo Kaupille ja ASA:n projektipäällikölle DI Jukka Joutsenvaaralle mielenkiintoisen aiheen tarjoamisesta sekä DI Mari-Selina Kantaselle loistavasta työn ohjauksesta. Suuret kiitokset myös projekti-insinööri Marko Ylitolvalle GOM Aramis operaattorina / asiantuntijana toimimisesta kokeellisten testausten aikana. Kiitos kuuluu tietysti myös Kemi-Tornion ammattikorkeakoulun T&K-osaston koko henkilöstölle aina niin iloisesta työilmapiiristä. Suurimmat kiitokset osoitan avopuolisolleni tuesta ja kannustamisesta tämän opinnäytetyön ja opintojeni aikana.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ II TIIVISTELMÄ Kemi-Tornion ammattikorkeakoulu, Tekniikan yksikkö Koulutusohjelma Kone- ja tuotantotekniikka Opinnäytetyön tekijä Päivi Juntunen Opinnäytetyön nimi Tutkimus teräksen EN 1.4512 rajamuovattavuudesta Työn laji Opinnäytetyö päiväys 9.12.2010 sivumäärä 50 + 13 liitesivua Opinnäytetyön ohjaaja DI Mari-Selina Kantanen Yritys Kemi-Tornion ammattikorkeakoulu, Tekniikka T&K, Advanced Strain Analysis -projekti Yrityksen yhteyshenkilö/valvoja TkL Timo Kauppi Opinnäytetyön lähtökohtana oli selvittää ferriittisen ruostumattoman teräksen EN 1.4512 muovattavuutta rajamuovattavuuden sekä mekaanisten ominaisuuksien avulla. Muovattavuusominaisuuksien ohessa selvitettiin muovattavuuskokeiden toteutustavat teoriassa ja käytännössä laitteilla, jotka sijaitsevat Kemi-Tornion ammattikorkeakoulun rikkovan aineenkoetuksen laboratoriossa. Tärkein tavoite oli muodostaa tutkittavalle materiaalille sekä verrokkimateriaaleille rajamuovattavuuskäyrät, jotka toteutettiin Nakajima-testillä. Nakajima-testit suoritettiin Erichsen 145-60 ohutlevyjen muovattavuustutkimuslaitteella ja muovattujen näytteiden venymätarkastelut toteutettiin online-mittauksina GOM:n optista 3D-mittausjärjestelmää ja ARAMIS-sovellusta käyttäen. Rajamuovattavuustesteissä huomattiin useiden tekijöiden vaikuttavan rajamuovattavuuskäyrän luontiin Aramiksella. Näytteiden pinnan stokastisen maalauksen piti olla erittäin tasalaatuinen, jotta pinnan tunnistaminen kameroilla onnistui moitteettomasti. Lisäksi testattavia näytteitä olisi saanut olla enemmän kuin varatut viisi kpl/geometria. Rajamuovattavuuskäyrät muodostettiin tutkittavana olleen materiaalin kahdelle levyvahvuudelle sekä kahdelle verrokkimateriaalille. Näytteiden kuvauksissa ilmenneiden ongelmien vuoksi osa rajamuovattavuuskäyristä muodostettiin suppeammasta näytemäärästä kuin standardi suosittelee. Saaduista tuloksista todettiin, että laadun EN 1.4512 rajamuovattavuus on parempi kuin vertailussa olleen EN 1.4016-laadun. Kokonaan toisesta teräsryhmästä vertailussa ollut syvävetoteräs EN 1.0306:lla oli näitä molempia ruostumattomia teräslaatuja parempi rajamuovattavuus. Materiaalien muovattavuusominaisuuksien kokeellisten testausten perusteella todettiin laadun EN 1.4512 soveltuvan hyvin syvävetosekä venytysmuovaussovelluksiin. Materiaalin korkea rajavetosuhde ja r-arvot olivat todisteena sen hyvistä syväveto-ominaisuuksista. Asiasanat: muovaus, ruostumaton teräs, ohutlevyt.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ III ABSTRACT Kemi-Tornio University of Applied Sciences, Technology Degree Programme Mechanical and Production Engineering Name Päivi Juntunen Title Research of Ferritic Stainless Steel Formability Type of Study Bachelor s Thesis Date 9 December 2010 Pages 50 + 13 appendixes Instructor Mari-Selina Kantanen, MSc (Tech.) Company Kemi-Tornio University of Applied Sciences, Technology R&D, Advanced Strain Analysis - project ContactPerson/Supervisor from Company Timo Kauppi, LicSc (Tech.) The starting point for the thesis was to study the formability of the ferritic stainless steel EN 1.4512 based on the limiting formability and the mechanical properties of material. In addition to the research work the technical realization of the formability tests which were done with the sheet metal testing machine were defined in Kemi-Tornio University of Applied Sciences material testing laboratory. The most important objective was to create forming limit curve (FLC) of the material EN 1.4512. The limiting formability was tested using the Nakajima test. The forming limit tests were performed with the sheet metal testing machine, Erichsen 145-60, and the stretch examinations of formed samples were performed with as an the GOM s optical 3D measurement system and the application ARAMIS. There were several problems which affected the creation of the forming limit curve with ARAMIS. The stochastic pattern of the sample surfaces had to be extremely good so that the identification of the surface succeeded. To get the sufficient measurement results there should have been more than five test pieces per geometry. The FLC was created for the EN 1.4512, EN 1.4016 and EN 1.0306. Some of the forming limit curves have been formed from a smaller number of samples than the standard recommends due to the problems in the descriptions of the samples. However, one can conclude from the obtained results that the limit formability of the steel EN 1.4512 is better compared to the steel EN 1.4016. The deep drawing steel EN 1.0306 in the comparison was better than these both stainless steels in its limit formability. The experimental formability tests showed that the ferritic stainless steel EN 1.4512 suiting extremely well for a deep drawing and forming processes. Keywords: FLC, forming, stainless steel, sheet metal.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ IV SISÄLLYSLUETTELO ALKUSANAT... I TIIVISTELMÄ... II ABSTRACT... III SISÄLLYSLUETTELO...IV KÄYTETYT MERKIT JA LYHENTEET...VI 1. JOHDANTO... 1 1.1. Advanced Strain Analysis -hanke... 1 1.2. Opinnäytetyön rajaukset, lähtökohta ja tavoitteet... 1 2. OHUTLEVYJEN MUOVATTAVUUS... 3 2.1. Rajamuovattavuus... 4 2.1.1. Nakajima-testi... 5 2.1.2. Rajamuovattavuuspiirros... 7 2.1.3. Rajamuovattavuuskäyrän määrittäminen... 11 2.2. Erichsenin luku... 16 2.3. Rajavetosuhde... 17 2.4. Vetokokeen avulla määriteltävät ominaisuudet... 20 2.4.1. Ohutlevyjen testauksessa käytettävät vetokoesauvat... 20 2.4.2. Ohutlevyn anisotropia ja muokkauslujittuminen... 22 3. FERRIITTISET RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET... 27 3.1. Ferriittinen ruostumaton teräs EN 1.4512... 29 3.2. Teräksen EN 1.4512 ominaisuudet... 30 4. KOKEELLINEN TUTKIMUS... 33 4.1. Testauslaitteisto ja suoritetut testit... 33 4.2. Testatut materiaalit... 33 4.2.1. Rajamuovattavuuden kokeellinen määrittäminen... 34 4.2.2. Erichsenin luvun kokeellinen määrittäminen... 35 4.2.3. Rajavetosuhteen kokeellinen määrittäminen... 36 4.2.4. Mekaanisten ominaisuuksien kokeellinen määrittäminen vetokokeella... 38 5. TULOKSET, TULOSTEN TARKASTELU JA ESIINTYNEET ONGELMAT... 39 5.1. Rajamuovattavuus... 39
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ V 5.1.1. EN 1.4512 rajamuovattavuus... 39 5.1.2. EN 1.4016 rajamuovattavuus vs. EN 1.4512... 41 5.1.3. EN 1.0306 rajamuovattavuus... 42 5.2. Rajavetosuhde... 43 5.3. Erichsenin luku... 44 5.4. Mekaaniset ominaisuudet... 45 6. YHTEENVETO... 46 7. LÄHDELUETTELO... 47 8. LIITELUETTELO... 50
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ VI KÄYTETYT MERKIT JA LYHENTEET A Murtovenymä A g Plastinen tasavenymä suurimmalla voimalla ASA Advanced Strain Analysis FEM Finite Element Method, elementtimenetelmä FLC Forming limit curve, rajamuovattavuuskäyrä FLD Forming limit diagram, rajamuovattavuusdiagrammi GOM Gesellschaft für Optische Messtechnik IE Erichsenin luku, Erichsen index LDR Limited drawing ratio, rajavetosuhde K-B Keeler-Brazier FLD 0 kaava n Muokkauslujittumiseksponentti r Plastinen venymäsuhde, normaali anisotropia r Plastisen venymäsuhteen keskiarvo R m Murtolujuus R p0,2 Plastiseen pitenemään perustuva venymisraja 0,2 % kohdalla, l. myötöraja SHF Sheet Holder Force, aihion pidinvoima T&K Tutkimus ja kehitys 2B Sileä pinta: kylmävalssaus, hehkutus, peittaus ja viimeistelyvalssaus 2E Karhea, mattapinta: Kylmävalssaus, hehkutus, kuulapuhallus ja peittaus 2R Sileä, kirkas ja heijastava pinta: kylmävalssaus, kiiltohehkutus r-arvo Anisotrooppisuus tasossa
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 1 1. JOHDANTO Opinnäytetyön toimeksiantajana toimii Kemi-Tornion ammattikorkeakoulun Tekniikan yksikön T&K-osasto ja työ tehdään Advanced Strain Analysis -hankkeelle yhteistyössä Outokummun Tornion-tehtaan tutkimuskeskuksen kanssa. 1.1. Advanced Strain Analysis -hanke Kemi-Tornion ammattikorkeakoulun tekniikan T&K-osaston materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmän projekti Advanced Strain Analysis eli ASA on muovaukseen ja muodonmuutoksiin liittyvän venymäanalysoinnin mittaussovelluksien tutkimushanke. Ohutlevyjen muodonmuutosten online- ja offline-mittaamiseen on Kemi-Tornion ammattikorkeakoululle hankittu GOM:n kamerajärjestelmä, joka on yhtenä tärkeänä sovellusten ja venymien mittaustekniikoiden kehittämisvälineenä ASA-projektissa. Projektin tavoitteena on ratkaista GOM:n optista mittausjärjestelmää käyttäen venymiin, muodonmuutoksiin ja suunnitteluun liittyviä mittausongelmia, joita yhteistyöyrityksissä on ilmennyt. Mittausteknologiaa voidaan soveltaa esim. vetokokeeseen, hitsien muodonmuutosten mittaukseen, muovattujen tuotteiden venymäanalysointiin, roping-pintavikojen havainnointiin, FEM-mallien evaluointiin ja rasitusten alaisten rakenteiden muodonmuutosten mittaamiseen. /15, s. 3-4/ 1.2. Opinnäytetyön rajaukset, lähtökohta ja tavoitteet Opinnäytetyön aihe on yksi ASA-projektiin liittyvä muovattavuuden, muodonmuutosten, mittauksen ja venymäanalysoinnin kokonaisuus. Työn lähtökohtana on tutkia Outokummun ferriittisen ruostumattoman teräksen EN 1.4512:ta muovattavuutta Erichsen 145-60 ohutlevyjen muovattavuustutkimuslaitetta, Zwick Allround 250kN -vetokonetta ja GOM:n ARAMIS-laitteistoa yhteistyössä soveltaen.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 2 Tavoitteena on muodostaa materiaalin EN 1.4512 rajamuovattavuuskäyrä (FLC) Nakajima-muovattavuuskokeiden ja ARAMIS-mittaustulosten avulla. Lisäksi selvitetään kyseisen materiaalin normaalianisotropia, anisotrooppisuus tasossa, myötöraja, murtolujuus, murtovenymä, tasavenymä ja muokkauslujittumiseksponentti n vetokokeiden avulla. Näiden lisäksi selvitetään muovattavuutta kuvaavat Erichsenin luvut kupinvenytyskokeella ja rajavetosuhde Swiftin kuppikokeella. Rajamuovattavuuden verrokkimateriaalina käytetään kiiltohehkutettua EN 1.4016 -terästä sekä EN 1.0306 (DX 54D) -syvävetoterästä. Työssä perehdytään rajamuovattavuuskäyrän (FLC) määritykseen ja tulkintaan, ohutlevyjen muovattavuustesteihin, sekä ferriittisen ruostumattoman teräksen muovattavuusominaisuuksiin. Lisäksi tavoitteena on tuottaa käytännön työohjeet rajamuovattavuuden määritykseen Nakajima-testin avulla. Opinnäytetyön rajaus Tutkittava materiaali on ferriittinen ruostumaton teräs EN 1.4512 (1 ja 1,5 mm), jonka rajamuovattavuutta verrataan kiiltohehkutettuun ferriittiseen ruostumattomaan teräkseen EN 1.4016 (0,5 mm) sekä sinkittyyn syvävetoteräkseen EN 1.0306 (0,6 mm). Tutkittavista laaduista valmistetaan olemassa olevien ohjeiden/standardien mukaiset näyteaihiot Torniossa Jaloterässtudiolla. Näytteet testataan standardien mukaan. Materiaaleille suoritettavat testit ovat: - Nakajima (FLC) testi (EN 1.4016, EN 1.4512 ja EN 1.0306) - Erichsen no:27 (EN 1.4512) - Vetokoe (EN 1.4512) - Swift (EN 1.4512) Nakajima-testissä ja vetokokeessa käytetään venymien mittaukseen, r-arvojen määrittämiseen ja rajamuovattavuuskäyrän muodostamiseen GOM-laitteistoa ja ARAMISohjelmistoa.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 3 2. OHUTLEVYJEN MUOVATTAVUUS Ohutlevyjen muovaustavat voidaan jakaa levyyn kohdistuvien muovaavien jännitysten mukaan kahteen eri menetelmään, syvävetoon ja venytysvetoon (kuva 1). Syvävedossa muovattava aihio liukuu pidinten välistä painimen painaessa sitä muotoonsa eikä levyn ohenemista tapahdu. Syväveto tehdään hallitusti sopivan pientä pidinvoimaa käyttäen ja syntyvän kupin halkaisija on pienempi kuin alkuperäisen aihion ja sen seinämän paksuus pysyy samana tai voi jopa kasvaa hiukan. Syvävedossa voidaan muovausta jatkaa edelleen käyttämällä pienempää painimen halkaisijaa, tätä kutsutaan jatkovedoksi, joka mahdollistaa syvempien tuotteiden valmistuksen. Jatkovedon onnistumista voidaan parantaa palauttamalla syvävedetyn kappaleen plastiset ominaisuudet välihehkuttamalla. Esimerkiksi ruostumattoman teräksen jatkoveto helpottuu, kun syvävedettyä kappaletta hehkutetaan yli 1000 C:een lämpötilassa. Hehkutuksen jälkeen tummunut kappaleen pinta täytyy puhdistaa ja uudelleen passivoida kemiallisella käsittelyllä ennen jatkovetoa. Venytysmuovaus poikkeaa syvävedosta siten, että aihio muovautuu venymällä sekä säteen että tangentin suuntaisesti levyn ohetessa muovausalueelta. Riittävän suuren pidinvoiman ansiosta aihion reunat pysyvät pidinten välissä aihion pinta-alan kasvaessa. Näitä molempia muovaustapoja voi esiintyä käytännön levynmuovausprosessissa samanaikaisesti. /4/, /18, s. 58-62/ Kuva 1. Syvävedon ja venytysvedon periaatteet/18, s.58/ Hyvällä muovattavuudella tarkoitetaan materiaalin kykyä kestää plastista muodonmuutosta ilman paikallista kuroumaa tai murtumaa. Tärkeimmät ohutlevyjen muovattavuusominaisuuksista kertovat tekijät ovat materiaalin muokkauslujittumiseksponentti n, muodonmuu-
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 4 tosnopeuden arvo m ja plastisen venymäsuhteen arvo r, jotka saadaan selville yksiaksiaalisella vetokokeella. Mitä suurempia nämä arvot ovat, sitä parempi on levyn muovattavuus. Muovattavuudesta kertovat myös materiaalille syvävetotestauksilla määriteltävä rajavetosuhde (LDR) ja Ericsenin testin tuloksena saatava Erichsenin luku. Vetokokeisiin ja simuloiviin kokeisiin perustuvat yksittäiset parametrit antavat tietynlaisen kuvan ohutlevyn muovattavuudesta, mutta ne eivät välttämättä riitä todellisen muovausprosessin onnistumisen arvioimiseen. Käytännön muovausprosessissa muodostuu ohutlevyyn kaksiaksiaalista jännitystä ja levyn eri osissa tapahtuu erityyppistä sekä voimakkuudeltaan erisuuruista muokkautumista. Siksi onkin syytä määrittää ohutlevyn muovattavuuden rajat tason suuntaisella venytysmuovaustestauksella ja havainnollistaa ne rajamuovattavuuskäyrän (Forming Limit Curve, FLC) avulla./22, s. 52-56/,/25/ 2.1. Rajamuovattavuus Ohutlevyjen rajamuovattavuuden määrittelyn historia ulottuu aina 1940-luvulle asti, jolloin Gensamer julkaisi vuonna 1946 ensimmäiset rajamuovattavuuspiirrokset. Nykyään tunnetun rajamuovattavuuspiirrostyypin kehittämisen aloitti Keeler-niminen tutkija jo vuonna 1965. Tämän pohjalta kehitystyötä jatkoi Goodwin 60-luvun loppuun asti ja siksi tätä rajamuovattavuusdiagrammia (FLD) kutsutaankin Keeler-Goodwin -diagrammiksi. Yli 40 vuoden aikana useat tutkijat ovat kehittäneet uusia tapoja ja kriteerejä ohutlevyjen rajamuovattavuuden tutkimus- ja mittausmenetelmiin. Nykyään jo standardoidut rajamuovattavuustestit ovat saaneet nimensä näiden tutkijoiden nimistä, kuten Marciniack- ja Nakajima-testit. Standardoiduilla testausmenettelyillä on pyritty saamaan selkeät ohjeet rajamuovattavuuden määrittämiselle, jotta eri tutkimuspaikoissa saadut tulokset olisivat vertailukelpoisia keskenään. Materiaalien rajamuovattavuuspiirroksia voidaan hyödyntää tutkimuksissa, joissa tutkitaan käytännön muovauksissa esiintyviä ongelmia. Suurena apuna rajamuovattavuuspiirrokset ovat FEM-simuloinnissa, jossa usein ongelmana on materiaalin repeytymisen arviointi, joka ilman rajamuovattavuuskäyrää on arvioitava paksuusjakaumien perusteella./6, s.241/,/10/,/22, s. 52-56/
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 5 2.1.1. Nakajima-testi Ohutlevyn rajamuovattavuuden kokeelliseen määrittämiseen käytetään mm. Nakajimatestiä. FLC:n määrittämiseen Nakajima-testillä on olemassa standardi ISO 12004-2. Standardin mukaan Nakajima-testissä ohutlevyn vahvuuksille 0,3 mm - 4 mm käytetään puolipallon muotoista halkaisijaltaan 100 mm olevaa painintyökalua sekä pidinrengasta, jonka sisähalkaisija on 105 mm tai suurempi kuin painimen halkaisija + 2,5 kertaa testattavan materiaalin vahvuus (kuva 2). Kuva 2. Nakajima-testin standardinmukaisten työkalujen mitat/13/ Nakajima-testin periaatteena on muovata venymämittauksia varten kuvioituja ohutlevynäytteitä puolipallon muotoisella painimella nopeudella 1,5 ± 0,5 mm/s niin kauan, että näyte murtuu (kuva 3). Muovauksen aikana aihion liukuminen pitäisi estää mahdollisimman hyvin, jotta voitaisiin saavuttaa lähes lineaarinen venymä. Liukumisen estämiseksi käytetään pyällettyjä aihion pidinrenkaita (kuva 3), joiden väliin näyteaihio puristetaan riittävän suurella voimalla. Kitkan haitallinen vaikutus muovaustapahtumassa tulee estää oikeanlaisella voitelulla ja käyttämällä painimen ja näytteen välissä standardin suosittelemaa muovikalvoa. Murtuman muodostuminen muovatun näytteen korkeimman kohdan alueelle on mahdollista juuri kitkaa vähentävän riittävän voitelun ja muovikalvojen avulla. Standardin mukaan murtuman tulisi sijaita korkeintaan 15 mm:n etäisyydellä muovatun kuvun laelta.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 6 Kuva 3. Nakajima-testin periaate/31/ Rajamuovattavuuskäyrän määrittämiseen Nakajima-testillä käytetään standardin mukaan vähintään viittä eri geometrian omaavaa näytettä, jota kutakin on vähintään kolme kappaletta. Näytteet voivat olla muodoiltaan ns. circular shaft -tyylisiä (kuva 4), joiden kavennuskohdat on toteutettu eri säteisillä kaarilla. Suositeltavampaa on kuitenkin käyttää ns. parallel shaft -tyylistä näytettä, jossa näytteen kavennus on toteutettu yhdensuuntaisella suoralla osuudella (kuva 5). Näytteen kavennetun kohdan leveyttä vaihtelemalla saadaan muodostettua muovaustuloksista kuvassa 4 esitetyn kaltainen rajamuovattavuuskäyrä. Pääasiassa pehmeitä teräksiä testattaessa voidaan käyttää myös erilevyisiä suorakaiteen muotoisia näyteaihioita. Kuva 4. Testattujen circular shaft - tyylisten näytteiden venymien sijoittuminen rajamuovattavuuspiirroksessa/5/
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 7 Käytettäessä standardin 12004-2 mukaista menetelmää, pääsuunta kaikissa testikappaleissa pitäisi olla matalimman päävenymän suuntaisesti, täten myös valssaussuunnan on oltava sama jokaisessa näytteessä, kuva 5. Näytteiden muotoon leikkaaminen tulee toteuttaa menetelmällä, mistä ei aiheudu näytteen pintaan tai reunoihin naarmuja eikä materiaalin ominaisuuksiin vaikuttavia asioita, kuten muokkauslujittumista ja mikrorakenteen muutoksia. Tällaiset työstön aikana syntyneet muutokset näytemateriaalissa voivat vaikuttaa merkittävästi testaustuloksiin. Näytteen pinta kuvioidaan venymien tarkasteluja varten esim. ympyräverkkokuviolla tai stokastisella (satunnaisella) kuviolla riippuen käytettävästä mittausmenetelmästä. Kuvioinnin täytyy pysyä näytteen pinnassa muovauksen ajan, mutta se täytyy toteuttaa aiheuttamatta pintaan naarmuja tai muita vaurioita. Ympyräverkkokuviointi toteutetaan yleensä elektrolyyttisyövytyksellä ja stokastinen kuviointi spraymaalauksella. Tarkemmat ohjeet näytteiden valmistukseen ja esikäsittelyyn on kerrottu liitteessä 1./13, s. 3-8/ Kuva 5. Yhdensuuntaisilla suorilla osuuksilla kavennetut näytemuodot, joissa on merkitty käytettävä valssaussuunta a) teräkselle ja b) alumiinille/13, s. 6/ 2.1.2. Rajamuovattavuuspiirros Ohutlevyjen rajamuovattavuudesta puhuttaessa käytetään yleensä termejä rajamuovattavuuskäyrä (Forming Limit Curve, FLC) ja rajamuovattavuuspiirros (Forming Limit Diagram, FLD). Usein näillä tarkoitetaan samaa asiaa ja ne liittyvätkin toisiinsa siten, että rajamuovattavuuspiirros sisältää yhden tai useamman materiaalin rajamuovattavuuskäyrän, joka erottaa toisistaan onnistuneet ja murtumaan johtaneen muovauksen hajonnan (kuva 6).
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 8 Toisin sanoen rajamuovattavuuskäyrä määrittää kriittisen muovattavuuden rajan metallisen materiaalin murtumiselle./6/,/22, s.53/ Kuva 6. Rajamuovattavuuspiirros, jossa on rajamuovattavuuskäyrä hajonta-alueineen./6/ Rajamuovattavuuskäyrän ominaisasema, muoto ja hajonta-alue rajamuovattavuuspiirroksessa riippuvat useista kokeellisista olosuhteista ja materiaalin ominaisuuksista. Ensisijaisesti vaikuttavia asioita ovat kokeessa käytettävien työkalujen muodot, näytteiden geometriat, kitkan vaikutus, ohutlevyn paksuus ja muut sen ominaisuudet. Materiaaliominaisuuksien vaikutus johtuu yksinkertaisesti materiaalin kemiallisesta ja mekaanisesta koostumuksesta, muokkauslujittumiseksponentista sekä anisotropiasta./6/ Rajamuovattavuuspiirroksen (FLD) avulla voidaan havainnollisesti ja kattavasti määritellä ohutlevyn muovattavuuden rajat tason suuntaisten venymien avulla erityyppisissä muovausolosuhteissa. Rajamuovattavuudella voidaan havainnollistaa sekä hajanainen että paikallinen kurouma. Hajanaista kuroumaa ilmenee, kun homogeeninen muodonmuutos loppuu ja materiaali saavuttaa maksimijännityksen, tällöin kuroutumista tapahtuu molempiin suuntiin. Paikallista kuroumaa esiintyy puolestaan tämän jälkeen, kun tietyn suuntainen venymä materiaalissa lähestyy nollaa, joten silloin kuroutumista tapahtuu vain paksuussuunnassa ilman leveyden kutistumista. Rajamuovattavuuspiirros esitetään ns. päävenymäkoordinaatistossa, jonka pystyakselilla on ensimmäinen päävenymä ε 1 ja vaaka-akselilla
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 9 toinen päävenymä ε 2 (kuva 7). Päävenymät valitaan valssaussuunnan suuntaisesti ja sitä vasten kohtisuoraan./10/,/16/,/22, s.52-56/ Kuva 7. Rajamuovattavuuspiirros päävenymäkoordinaatistossa /22, s.52/ Päävenymät ε 1 ja ε 2 ilmoitetaan yleensä rajamuovattavuuspiirroksessa todellisina venyminä, joskus käytetään myös suhteellista venymää. Positiiviset venymäarvot pystyakselin oikealla puolella merkitsevät venyttävää muodonmuutosta, joten sitä puolta kutsutaankin venytysmuovauspuoleksi. Ideaalisessa kaksisaksiaalisessa venytyksessä levyn tasossa vaikuttavat jännitykset ja niitä vastaavat venymät ovat positiivisia ja samansuuruisia. Pystyakselille muodostuu ns. tasomuodonmuutostila, joka syntyy kun toinen päävenymä ε 2 häviää. Tämä tasomuodonmuutostilan kohta on rajamuovattavuuskäyrän alin piste, joten tässä tilassa syntyy yleisimmin murtumia muovaustapahtumassa. Pystyakselin vasemman puolen päävenymistä toinen on negatiivinen, mikä tarkoittaa puristavaa muodonmuutosta, ja sitä puolta kutsutaankin syvävetopuoleksi. Negatiivisella puolella tulee tietyssä vaiheessa vastaan raja, jossa paksuussuuntainen venymä ε 3 häviää, tällöin voidaan puhua puhtaasta syvävedosta./13/,/22, s.52-56/
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 10 Kuva 8. Rajamuovattavuuskäyrästä nähdään turvallisen muovauksen rajat/9/ Rajamuovattavuuspiirrosta käytetään monissa ohutlevyjen muovaukseen liittyvissä tehtävissä, kuten arvioitaessa saavutettavaa muovaustulosta, valittaessa sopivaa materiaalia muovausprosessiin ja suunniteltaessa muovausmenetelmää. Tuotteen venymien analysoinnissa mitataan tehdystä kappaleesta päävenymät ja verrataan niitä kyseisen levymateriaalin rajamuovattavuuskäyrään. Vertailun avulla voidaan selvittää, kuinka lähellä kappaleen venymätila on muovattavuuden kriittisiä rajoja ja millaisia ongelmia muovaustapahtumassa voi esiintyä (kuva 8). Näin nähdään, ilmeneekö tuotteen joissakin osissa mahdollisesti liiallista ohenemista, rypistymistä ja soveltuuko kyseinen materiaali muovauskohteeseen. Rajamuovattavuuskäyrän avulla voidaan myös tarkistaa, voitaisiinko materiaalin soveltuvuutta vielä parantaa esimerkiksi optimoimalla joitain muotoja tai käyttämällä muovauksessa lisävoitelua sen sijaaan, että siirryttäisiin kalliimpaan paremmin muovattavaan materiaaliin. Mikäli kappaleesta mitatut venymät jäävät huomattavasti alle materiaalin rajamuovattavuuskäyrän, voidaan parhaimmassa tapauksessa siirtyä jopa halvempaan materiaaliin. Monimutkaisten muovattavien ohutlevykappaleiden muovausta analysoidaan usein myös numeeristen laskelmien eli FEM:n (elementtimallin) avulla, jolloin rajamuovattavuuskäyrän olemassaolo on erittäin hyödyllistä. Rajamuovattavuuspiirrosta käytetään numeeristen laskentojen tulosten arviointiin, sillä muovaussimuloinneissa laskettujen tulosten avulla
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 11 ohutlevyjen repeytymistä on erittäin vaikea arvioida ilman rajamuovattavuuskäyrää./9/,/22, s. 52-54/ 2.1.3. Rajamuovattavuuskäyrän määrittäminen Rajamuovattavuuskäyrän kokeelliset päävenymät ilmennetään yksinkertaisimmillaan esimerkiksi käyttämällä ympyräverkkoanalyysia. Siinä testattavien näytteiden pintaan merkattujen tai syövytettyjen ympyräverkkokuvioiden siirtymiä tarkastelemalla saadaan mitattua muovauksessa tapahtuneet venymät. Kuva 9. Ellipsien iso- ja pikkuakselit Ympyräverkkokuvio koostuu saman halkaisijan omaavista säännöllisissä riveissä olevista ympyröistä, jotka muovauksen aikana venyvät ellipseiksi. Mittaamalla ellipsien iso- ja pikkuakselien pituudet a ja b (kuva 9) standardin määrittelemältä alueelta muovatun murtuneen ohutlevyn pinnalta (kuva 10) voidaan laskea vastaavat todelliset päävenymät kaavojen 1 ja 2 avulla tai suhteelliset venymät kaavojen 3 ja 4./18, s. 61-62/
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 12 Kuva 10. Ympyräverkkokuvioidut näytteet, joista mitataan ellipsien iso- ja pieni halkaisija murtuman rajalta./31/ Murtumaan rajoittuvien, kuroutuneiden ja ehjien ellipsien mitatut, erilaisilla symboleilla merkityt venymäarvot sijoitetaan koordinaatistoon. Ehjien ellipsien, turvallisella alueella sijaitsevien pisteiden yläpuolelle saadaan muodostettua rajamuovattavuuskäyrä (kuva 11). /10, s. 241-242/,/17/ a ε = 1 ln (1) d 0 b ε = 2 ln (2) d 0 e 1 a d 0 = (3) d 0 e 2 b d 0 = (4) d 0 missä ε 1 on ensimmäinen todellinen päävenymä
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 13 ε 2 on toinen todellinen päävenymä e 1 on ensimmäinen suhteellinen päävenymä e 2 on toinen suhteellinen päävenymä a on ellipsin isoakselin pituus b on ellipsin pikkuakselinpituus d 0 on alkuperäisen ympyrän halkaisija/22, s. 53/ Kuva 11. Erään teräslaadun rajamuovattavuuskäyrä todellisten venymien mukaan/24/ Kuten kuvasta 11 voidaan havaita, muodostetaan rajamuovattavuuskäyrä vaurioituneiden alueiden venymien ja ehjien alueiden venymien välille. Tätä rajaa ei voida kuitenkaan pitää käytännön muovausten suunnittelussa turvallisena rajana, koska muovauksen onnistumisen mittana ei välttämättä ole pelkästään levyn repeytymisen välttäminen, vaan kriteerinä voi olla myös paikallinen kuroutuminen tai levyn oheneminen, jotka tulevat näkyviin levyn pinnassa. Siksi käytännön suunnittelussa käytetään turvallisuusmarginaalin verran kokeellisesti määritetyn rajamuovattavuuskäyrän alapuolella olevaa rajakäyrää (kuva 12). Yleinen käytetty turvallisuusmarginaali rajakäyrälle on noin 10 % kokeellisen rajamuovattavuuskäyrän alapuolella./22, s. 53/
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 14 Kuva 12. Ylempi käyrä on kokeellisesti määritelty ja alempi turvallisuusmarginaalin verran alempana oleva suunnittelussa käytettävä rajakäyrä./31/ Tasomuodonmuutostilan alueelle pystyakselille tai sen lähettyville sijoittuvaa rajamuovattavuuskäyrän alinta pistettä kutsutaan FLD 0 - tai FLC 0 -kohdaksi, joka on kriittisin piste ohutlevyn muovausprosessissa. Hiiliteräksillä tämä piste sijaitsee yleensä aika tarkoin pystyakselilla, mutta ruostumattomilla teräksillä se sijoittuu hieman pystyakselin oikealle puolelle. FLC 0 -kohdan määrittämiseen on olemassa esimerkiksi ns. Keeler-Brazier (K-B)- kaava, jolla saadaan levyn paksuuden ja muokkauslujittumiseksponentti n:n avulla laskennallisesti selville rajakäyrän alin kohta (kaava 5). K-B-kaavan avulla lasketun FLC 0 - pisteen kautta voidaan piirtää kyseisen materiaalin rajamuovattavuuskäyrä olettaen, että käyrän muoto pysyy samana kuin vastaavilla ohutlevytyypeillä./16/,/22, s.54/,/24/ n FLC True 0 = ln 1 + [ 23,3 + 14,13t ] ;n 0,21 (5) 0,21 missä FLC 0 True on rajamuovattavuuskäyrän alin kohta t on levyn paksuus n on muokkauslujittumiseksponentti (15 20 %)
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 15 Nykyään rajamuovattavuuskäyrän määrittelyä helpottamaan on kehitetty mittauslaitteistoja, joiden tietokoneohjelmistot liitettyinä kamerajärjestelmiin mittaavat venymät ja laskevat tulokset muovaustapahtumista. Yksi tällainen standardin ISO 12004-2 mukaisia suosituksia laskennassa käyttävä 3D-mittausanalysaattori on GOM:n ARAMIS-sovellus. Tämä sovellus on kehitetty nykyajan tarpeisiin ohutlevyjen ominaisuuksien määrittämiseen tarkasti, toistettavasti ja tehokkaasti. Tämä järjestelmä sisältää tietokoneyksikön lisäksi kaksi CCD kameraa ja valaistuslaitteiston, jotka sijoitetaan kuvaamaan muovaustapahtumaa (kuva 13). ARAMIS-ohjelman kanssa käytettävä FLC-testausmenetelmä on Nakajimatesti, jonka suorittamisessa käytetään vähintään viittä eri geometrian omaavaa näytettä, jota jokaista laatua on vähintään kolme kappaletta. Näytteiden pinnan kuvioinnissa käytetään ympyräverkkokuvion sijaan stokastista kuviointia. Tämän levyn pintaan maalatun kuvioinnin avulla ARAMIS mittaa ja laskee levyn venymiä muovauksen aikana otettavien kuvien avulla. /6/,/7/,/8, s. 5-6/ Kuva 13. Periaatekuva kameramittausjärjestelmästä/30/ Käytettäessä rajamuovattavuuskäyrän määrittämiseen optista mittausjärjestelmää, kuten ARAMIS:ta on tärkeää käyttää oikein valmistettuja näytteitä sekä suorittaa muovausprosessi ja kuvaus oikein. Liitteessä 1 on tarkemmat ohjeet näytteiden valmistamiseen ja kokeen suorittamiseen rajamuovattavuuskäyrän määrittämiseksi Erichsenmuovattavuustutkimuslaitteella ja ARAMIS-venymämittausanalysaattorilla.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 16 2.2. Erichsenin luku Erichsenin testi on tyypillinen tapa mitata materiaalin venytysmuovausominaisuuksia. Erichsenin testin tuloksena saatavalla Erichsenin luvulla arvioidaan 0,1-2 mm paksujen ja vähintään 90 mm leveiden metallilevyjen ja -nauhojen venytysmuovattavuutta. Kapeampia ja/tai paksumpia näytteitä testattaessa on käytettävä standardissa SFS-EN ISO 20482 erikseen määriteltyjä työkalun mittoja. Erichsenin luku ilmoitetaan tunnuksella IE, jolla tarkoitetaan standardin mukaista vakiokoetta (Erichsen no:27). Paksummilla ja kapeammilla koekappaleilla tunnukseen lisätään alaindeksi käytettävän vastinrenkaan sisähalkaisijan mukaan. Kuva 14. Erichsenin kokeen periaate /27, s. 6/ Erichsenin testin periaatteena on kuvan 14 mukaisesti painaa vastinrenkaan (d 2 ) ja pidinrenkaan (d 5 ) välissä olevaa koeaihiota (b) pallopäisellä painimella (d 1 ), kunnes koekappaleeseen syntyy läpimurtuma, josta näkyy valo läpi. Ennen koetta koeaihion pinta voidellaan ohuesti grafiittirasvalla kitkan pienentämiseksi. Kokeen tulokseksi saatava arvo (h) on
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 17 painuman syvyys mitattuna painimen liikkeen perusteella ja se mitataan 0,1 mm tarkkuudella. Koe toistetaan kolme kertaa ja mitattujen tulosten keskiarvo on Erichsenin luku IE. Erichsenin luku ilmoitetaan millimetreinä./27, s. 4,8/ 2.3. Rajavetosuhde Yksi tärkeimmistä ohutlevyn syvävedettävyyttä kuvaavista arvoista on rajavetosuhde (LDR). Rajavetosuhde on vakio, joka riippuu materiaalista ja sen valmistusprosessista. Sen avulla määritellään, mikä on suurin mahdollinen aihion ulkohalkaisija vedettävälle syvävetotuotteelle. Rajavetosuhteen arvo on siis suurimman mahdollisen aihion halkaisijan suhde kupin halkaisijaan, jolloin syvävedon tuloksena on ehjä kuppi (kuva 15 ja kaava 6 ). Maksimiarvo rajavetosuhteelle saadaan vertaamalla painimen halkaisijaa alkuperäisen aihion halkaisijaan (kaava 7), tätä menetelmää käytetäänkin yleensä rajavetosuhdetta määritettäessä. Maksimirajavetosuhteen arvoa voidaan käyttää apuna esimerkiksi tarvittavan syvävetoaihion kokoa määriteltäessä./10, s. 220/,/14/ Kuva 15. Rajavetosuhde (LDR) /14/ D LDR = (6) d missä LDR on rajavetosuhde D on aihion halkaisija
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 18 d on kupin halkaisija /14/ D 0 LDR max = (7) d 0 missä LDR max on rajavetosuhde maksimi D 0 on aihion halkaisija d 0 on painimen halkaisija /5/ Kuva 16. Swiftin kuppikokeen periaate /5/ Rajavetosuhdetta testataan Swiftin kuppikokeella, jonka periaate on esitetty kuvassa 16. Tietyn halkaisijan omaavalla tasapäisellä painimella (d 0 ) painetaan aihiota (D 0 ), joka on pidinrenkaiden välissä puristettuna sopivalla voimalla. Aihion halkaisijaa kasvatetaan niin kauan, että muovattava kuppi murtuu. Käytettäessä halkaisijaltaan 50 mm:n paininta valitaan testattavat aihiot esimerkiksi väliltä 90-120 mm. Rajavetosuhde lasketaan viimeisen ehjän kupin koeaihion halkaisijan mukaan kaavaa 6 tai 7 käyttäen. Swiftin koetta tehtäessä tulee valita testissä käytettävä vetorengas (drawing die) oikealla sisähalkaisijalla, jolloin painimen ja renkaan välys on riittävän suuri esim. 1,4 kertaa vedettävän ohutlevyn vahvuus. Swiftin kokeella saatava rajavetosuhde on yleensä hieman suurempi kuin mikä todellisessa käytännön prosessissa on mahdollista saavuttaa./17/
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 19 Rajavetosuhdetta testattaessa on tärkeää käyttää sopivaa aihion pidinvoimaa, jotta päästäisiin parhaimpaan tulokseen ilman rypyttymistä ja murtumia. Pidinvoiman optimoimiseksi Swiftin kokeessa erikokoisille, -paksuisille ja -lujuisille aihioille on kehitetty laskentakaava, jonka avulla voidaan arvioida pidinvoiman tarvetta (kaava 8). Pidinvoiman arvioimiseksi on olemassa myös helpompi laskukaava, jossa ei oteta huomioon materiaalin paksuutta (kaava 9)/3/,/26, s. 171/ F b 3 3 0,005* d 0 = 10 c ( DR *1) + Su (8) t0 missä F b on aihion pidin voima c on kokeellinen etäisyyskerroin, 2-3 DR on aihion halkaisijan suhde painimen halkaisijaan, D/d d 0 on aihion halkaisija t 0 on alkuperäinen aihion paksuus S u on vetomurtolujuus/3/ ( D 2 2 d ) p F b = π * * (9) 4 missä F b on aihion pidin voima D on aihion halkaisija d on painimen halkaisija p on vetomurtolujuuden avulla laskettu pidin paine, joka teräkselle on 2,5 N/mm 2 /26, s.171/ Syvävedolla muovattuihin kuppien helmoihin muodostuu usein harjanteita, joita kutsutaan korviksi (kuva 15). Korvia voi muodostua kaksi, neljä tai kuusi riippuen materiaalin anisotrooppisuudesta. Korvien korkeus ja sijainti valssaussuuntaan nähden (0, 45 tai 90 ) liittyy suoraan materiaalin r-arvoon. Mikäli r-arvo on suurempi kuin nolla muodostuvat korvat 0 ja 90 :n kohdalle ja mikäli r-arvo on pienempi kuin nolla syntyvät korvat 45 :n kohdalle./10, s. 228-229/
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 20 2.4. Vetokokeen avulla määriteltävät ominaisuudet Vetokokeen avulla saadaan yhteys voiman ja venymän välille, joten sillä saadaan selville tietoa aineen lujuudesta ja sen kyvystä sietää plastista muodonmuutosta. Kummallakin näistä on merkitystä materiaalin muokkauksen kannalta. Materiaalin lujuus määrää muovaukseen tarvittavan voiman ja sitkeysominaisuudet kertovat, soveltuuko materiaali ylipäätänsä muovaukseen./17/ Vetokokeessa koesauvaa vedetään yleensä katkeamiseen asti siten, että siitä voidaan määrittää haluttuja mekaanisia arvoja. Standardissa SFS-EN ISO 6892-1 (korvaa SFS-EN 10002-1:en) on kerrottu mekaanisten ominaisuuksien määrittelytavat huoneenlämpötilassa alueella 10-35 C suoritetulle vetokokeelle. Valvotuissa koeolosuhteissa vetokokeet tehdään +23 C ± 5 C lämpötilassa. Standardissa on esitetty myös suositukset tietokoneohjatun vetokokeen suorittamiseen. Nykyaikaisilla vetokoneilla saadaan ekstensiometrien ja tietokoneohjelman avulla määritettyä koesauvasta lähes kaikki tarvittavat mekaaniset ominaisuudet. Tällaisia ohjelmasta suoraan saatavia ominaisuuksia ovat esimerkiksi plastiseen pitenemään perustuva venymisraja eli myötöraja R p0,2, murtolujuus R m, plastinen tasavenymä suurimmalla voimalla A g, murtovenymä A ja muokkauslujittumiseksponentti n. Apuna mekaanisten ominaisuuksien mittauksissa ja tarkentamisessa voidaan käyttää esim. GOM:n optista mittausanalysaattoria. 2.4.1. Ohutlevyjen testauksessa käytettävät vetokoesauvat Vetokokeessa testattavan koesauvan mitat ja muodot riippuvat testattavan materiaalin muodoista ja mitoista. Metallilevyjä testattaessa voidaan käyttää koesauvana työstettyä tai työstämätöntä koesauvaa. Työstettyihin koesauvoihin työstetään kavennus eli koepituus, jonka tulee liittyä kiinnityspäihin riittävän suurella pyöristyksellä. Suositeltavaa on käyttää työstettyä ns. suhdesauvaa (kuva 17), jonka alkumittapituus L 0 ja suoran osan poikkipintaala S 0 täyttävät ehdon L 0 = k S 0, missä k on verrannollisuuskerroin vakio 5,65 tai ohuemmille levyille 11,3. Käytettäessä ei-suhdesauvaa, on kuitenkin syytä käyttää mitoituksessa standardin määrittelemiä ohjeita./28/
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 21 Kuva 17. Työstetty vetokoesauva Testattavan ohutlevyn vahvuudesta johtuen täytyy pyöristyssäteen R (kuva 17) olla koepituuden ja kiinnityspäiden liitäntäkohdassa seuraavanlainen: Ohuet 0,1 3 mm vahvuiset koesauvat R 20mm. Vähintään 3 mm vahvuiset koesauvat R 12 mm./28/ Koepituuden L c tulee olla vähintään kolmea millimetriä vahvemmilla koesauvoilla kaavan 10 mukainen ja ohuemmilla koesauvoilla vähintään kaavan 11 mukainen. L c = L + 1 S (10) 0, 5 0 b0 L c = L0 + (11) 2 missä L c on koepituus L 0 on alkumittapituus S 0 on koesauvan suoran osan poikkipinta-ala ennen koetta/28/ Standardissa SFS-EN ISO 6892-1 on lisäksi määritelty koesauvojen valmistuksessa huomioon otettavat seikat, suositellut mitat, testausolosuhteet, sekä koesauvojen mittaamiseen ja kiinnittämiseen liittyvät seikat ennen vetokoetta oikeiden tulosten saamiseksi.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 22 2.4.2. Ohutlevyn anisotropia ja muokkauslujittuminen Levyn sopivuutta eri muovausprosesseihin voidaan arvioida ensisijaisesti sille määriteltävien r- ja n-arvojen avulla. Muokkauslujittumiseksponentin arvo n Hollomonin yhtälössä (kaava 12) kertoo, kuinka paljon materiaali voi venyä ennen kuroutumista eli sitä käytetäänkin venytysmuovattavuuden mittana. n-arvon ollessa yksi on materiaali elastista, hyvin venyvää ja se muokkauslujittuu voimakkaasti, joten se on hyvää venytysmuovauksessa. Materiaalin venytysmuovausominaisuudet ovatkin suoraan verrannollisia sen muokkauslujittumiskykyyn. Toisin sanoen mitä suurempi on n-eksponentin arvo, sitä ohuemmaksi voidaan levy venyttää. Muokkauslujittumiseksponentti, kuten myös K:n arvo, saadaan selville vetokokeesta tietokoneohjelman antamista tuloksista, mutta ne voidaan määrittää myös jännitys-venymäpiirroksen avulla./17/ n σ = Kε (12) missä σ on todellinen rasitus K on lujuuskerroin ε on todellinen venymä n on muokkauslujittumiseksponentti /12, s. 2./ Isotrooppisella materiaalilla plastinen venymäsuhde r on 1, jolloin sen ominaisuudet ovat joka suuntaan samat. Levyn muovaamisen kannalta olisi kuitenkin pyrittävä valmistamaan sellaista anistrooppista levyä, jonka r-arvo on noin 1,4. Tämä mahdollistaa levyn muovauksen niin, että levy venyy, mutta ei tyssäänny paksuussuunnassa. Parhaimman syvävedettävyyden takaa mahdollisimman suuri keskimääräinen r-arvo. Plastinen venymäsuhde r määritellään vetokokeessa tapahtuvan poikittais- ja paksuussuuntaisen venymän suhteeksi (kaava 13). Mikäli aineen tilavuus ei muutu vetokokeen aikana, merkitsee se sitä, että poikkileikkauksen eri suuntiin tapahtuvien venymien summa on nolla. Tämän avulla saadaan johdettua r-arvon määritykseen kaava, jossa käytetään leveys- ja pituussuuntaisia venymiä (kaava 14). /17/
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 23 r ε b = (13) ε a missä r on plastinen venymäsuhde, normaalianisotropia ε b on koesauvan leveyssuuntainen todellinen plastinen venymä ja ε a on koesauvan paksuussuuntainen todellinen plastinen venymä. /11/ b ln b0 r = (14) l0b0 ln lb missä r on plastinen venymäsuhde, b on koesauvan mittaleveys testin jälkeen b 0 on koesauvan alkuperäinen mittaleveys, l 0 on koesauvan alkuperäinen mittapituus ja l on koesauvan mittaleveys testin jälkeen./11/ Yksinkertaisimmillaan vetokoe r-arvon määrittämiseksi tehdään merkitsemällä vetokoesauvan pintaan tietyllä etäisyydellä olevat venymämittausmerkit (kuva 18). Näytettä venytetään esimerkiksi 15 %, jonka jälkeen mittausmerkkien etäisyydet mitataan. Käyttämällä vetokokeessa pitkittäisiä ja poikittaisia ekstensiometrejä saadaan r-arvot suoraan vetokoneen tietokoneohjelmasta, jolloin ei manuaalisia mittauksia välttämättä tarvita.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 24 Kuva 18. Mittauspisteet sauvan pinnalla Plastisen venymäsuhteen määrittämisessä voidaan käyttää apuna optista mittauslaitteistoa, kuten ARAMIS:ta. Mittauslaitteiston käyttö helpottaa ja tarkentaa huomattavasti r-arvon määritystä, koska manuaalisia mittauksia ei tarvitse tehdä ja mahdollisen kuroutumisen paikkaa koesauvan alueella ei tarvitse tietää etukäteen. ARAMIS-mittauslaitteiston avulla voidaan kohdistaa mittausalue juuri oikealle venymäalueelle, toisin kuin käytettäessä paikallaan olevia ekstensiometrejä (kuva 19). /30/ Kuva 19. Todellinen venymäalue Aramiksella kuvattuna/30/
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 25 Normaalin plastisen venymäsuhteen laskemisessa käytetään kaavaa 13, josta johdetaan edelleen tilaavuuden muuttumattomuutta hyväksi käyttäen kaava 15. Koska tiedetään, että ε a = -(ε l + ε b ), voidaan venymien mittaaminen Aramiksen avulla suorittaa kohtisuoraan näytteen pintaan nähden, eikä paksuuden muutosta tarvitse mitata samanaikaisesti. /30/ r ε b b = = (15) ε a ε + ε l ε b missä ε b on koesauvan leveyssuuntainen todellinen plastinen venymä, ε a on koesauvan paksuussuuntainen todellinen plastinen venymä ja ε l on koesauvan pituussuuntainen todellinen plastinen venymä./30/ Valssattu teräslevy on yleensä anisotrooppista tason suunnassa, siksi sen syvävedettävyyttä kuvaavaa keskimääräistä r-arvoa määritettäessä käytetään valssaussuuntaan nähden pitkittäin, poikittain ja 45 :n kulmassa leikattuja vetokoesauvoja. Näistä erisuuntaisista vetokoesauvoista määritellään jokaisesta erikseen plastisenvenymäsuhteen arvo r, joka merkitään alaindeksillä asteiden mukaan valssaussuuntaan nähden. Alaindeksiin merkitään standardin ISO 10113:n mukaan myös plastisen venymän prosentuaalinen kohta, jolta mittaus on suoritettu, esim. r 45/20. Plastisen venymäsuhteen keskiarvo lasketaan saatujen r-arvojen avulla kaavan 16 mukaisesti. Luotettavan plastisen venymäsuhteen keskiarvon saavuttamiseksi on käytettävä jokaisen erisuuntaisen r-arvon mittaamisessa venymää samalta alueelta./10/,/11/ r0 / 20 + 2r45/ 20 + r90/ 20 r = (16) 4 missä r 0/20 on plastinen venymäsuhde valssaussuunnan suuntaisesti työstetystä koesauvasta, r 45/20 on plastinen venymäsuhde 45 asteen kulmassa valssaussuuntaan nähden työstetystä koesauvasta, r 90/20 on plastinen venymäsuhde kohtisuoraan valssaussuuntaan nähden työstetystä koesauvasta.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 26 Levyn anisotrooppisuus tason suunnassa saadaan käyttämällä samoja mitattuja r-arvoja, kuin plastisen venymäsuhteen keskiarvon laskemisessakin. r-arvon ollessa nolla sen syvävedettävyysominaisuudet ovat parhaat mahdolliset, koska levy on tällöin isotrooppista tason suunnassa. Tasoanisotropian laskennassa käytetään kaavaa 17. /10, s.228./ r0 / 20 + r90 / 20 2r45 / 20 r = (17) 2 missä, r 0/20 on plastinen venymäsuhde valssaussuunnan suuntaisesti työstetystä koesauvasta, r 45/20 on plastinen venymäsuhde 45 asteen kulmassa valssaussuuntaan nähden työstetystä koesauvasta, r 90/20 on plastinen venymäsuhde kohtisuoraan valssaussuuntaan nähden työstetystä koesauvasta/11/
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 27 3. FERRIITTISET RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET Ruostumattomiksi teräksiksi kutsutaan teräslaatuja, joiden kromipitoisuus on vähintään 10,5 (paino) % ja hiilipitoisuus enintään 1,2 %. Suuren kromipitoisuuden ansiosta teräkselle muodostuu huomattava vastustuskyky korroosiota vastaan, teräksen pintaan muodostuu itse korjautuva oksidikerros eli passiivikalvo. Ruostumattomien terästen kromipitoisuus voi vaihdella 10,5 %:sta 29 %:iin laadusta riippuen. Yleisimmin käytetyissä ruostumattomissa teräslaaduissa on kromia noin 18 %. Ruostumattomat teräkset voidaan jakaa neljään pääryhmään niihin seostuksen avulla saadun kiderakenteen perusteella. Kiderakenteen perusteella jaotellut ruostumattomien terästen pääryhmät ovat: austeniittiset ruostumattomat teräkset, Fe-Cr-Ni, C < 0,1 % ferriittiset ruostumattomat teräkset Fe-Cr, C < 0,1 % austeniittis-ferriittiset eli duplex-teräkset Fe-Cr-Ni martensiittiset ruostumattomat teräkset Fe-Cr, C > 0,1 % /20, s. 7./ Näistä edellä mainituista ruostumattomien terästen ryhmistä austeniittiset laadut ovat olleet käytetyimpiä, mutta niihin seostetun nikkelin vuoksi ovat ne hinnaltaan kalliita. Korvaamalla austeniittinen ruostumaton teräs ferriittisellä laadulla, joka ei sisällä nikkeliä, voidaan saada aikaan suuriakin säästöjä etenkin silloin, kun nikkelin hinta on korkealla. Ferriittiset ruostumattomat teräkset jakaantuvat kromipitoisuuden ja lisättyjen seosaineiden mukaan useisiin eri laatuihin (kuva 20), jotka omaavat erilaisia ominaisuuksia. Ferriittisiin ruostumattomiin teräslaatuihin seostetaan kromin lisäksi esim. molybdeenia, titaania ja niobia. Näillä seostusaineilla pyritään korvaamaan austeniittisissa laaduissa seosaineena käytetty arvokas nikkeli menettämättä materiaalin hyviä ominaisuuksia. Austeniittisiin laatuihin verrattuna ferriittisillä on korkeampi myötölujuus, alhaisempi murtovenymä ja vähäisempi muokkauslujittumiskyky. Yleisimpiä käytettyjä ferriittisiä ruostumattomia teräslaatuja ovat 1.4016 ja 1.4510 sekä alhaisemman kromipitoisuuden omaava 1.4003./1/,/2/,/20, s. 10-15/
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 28 Kuva 20. Ferriittisten ruostumattomien terästen sukupuu/21/ Fysikaalisilta ominaisuuksiltaan ferriittinen ruostumaton teräs on verrattavissa tavanomaisimpiin hiiliteräksiin, mutta korroosion kestävyydeltään se on huomattavasti parempaa. Korroosio-ominaisuudet riippuvat kromipitoisuudesta, joten korkean kromipitoisuuden omaavat laadut ovat kestävämpiä. Ferriittisten ruostumattomien terästen käyttölämpötilaalue on melko rajallinen, siksi varsinkin matalissa lämpötiloissa käytettävät hitsattujen rakenteiden iskusitkeys on syytä varmistaa, koska ne ovat alttiita haurasmurtumille. /1/,/14/,/20, s. 10-15/ Taulukko 1. Pääteräsryhmien muovausominaisuudet/14/,/21/
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 29 Ferriittisten ruostumattomien terästen muovattavuusominaisuudet ovat kohtuullisen hyvät, varsinkin titaanistabiloidun 17 % kromia sisältävän laadun. Taulukosta 1 voidaan nähdä joitakin ferriittisen ruostumattomien terästen muovattavuusominaisuuksia verrattuna austeniittiseen ruostumattomiin teräksiin. Syvävedossa ferriittiset laadut ovat ominaisuuksiltaan austeniittisten tasolla, mutta venytysmuovauksessa eivät ominaisuudet yllä aivan niin hyviin tuloksiin johtuen niiden alhaisemmasta muokkauslujittumiskyvystä. Ferriittisillä ruostumattomilla teräslaaduilla ilmenee muovauksessa helposti myös ns. ridging- tai roping-ilmiötä, kuten kuvassa 21 vasemmalla. Roping-ilmiössä syvävedetyn tuotteen pintaan muodostuu valssaussuunnan mukaisia viivoja tai harjanteita, jotka vaikeuttavat valmiin tuotteen pinnan viimeistelyä./14/ Kuva 21. Roping-pinta verrattuna onnistuneeseen pintaan /14/ Näiden roping-ongelmien poistamiseksi onkin kehitetty esimerkiksi titaanistabiloituja laatuja, kuten ferriittinen ruostumaton teräs EN 1.4512, jolla on stabiloinnin ansiosta erittäin hyvät ominaisuudet syvävetosovelluksissa. Alhaisemman muokkauslujittumisen vuoksi ferriittisillä ruostumattomilla teräksillä esiintyy myös rypyttymistä tai poimuttumista, joka ilmenee muovatun tuotteen helmoissa, tätä voidaan osittain hallita oikean pidinvoiman valinnalla sekä vetorenkaan pyöristyksen muodolla. /14/ 3.1. Ferriittinen ruostumaton teräs EN 1.4512 Ferriittisiin ruostumattomiin teräksiin kuuluva EN 1.4512 (ASTM 409) on titaanistabiloitu 11,5 prosenttia kromia sisältävä teräslaatu. Se on tyypillinen taivutuksessa ja muovauksessa käytetty materiaali. Autoteollisuudessa sitä käytetään autojen pakokaasujärjestelmissä, kuten katalysaattoreissa, äänenvaimentimissa, pakoputkissa ja niiden kannatinosissa. Ra-
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 30 kennusten rakenteissa EN 1.4512 terästä käytetään kohteissa, joissa on vaihteleva lämpötila. Hitsattaessa EN 1.4512 laatua voidaan käyttää samoja menetelmiä ja lisäaineita kuin austeniittisen 300-sarjan hitsauksessa. Titaanistabiloinnin ansiosta materiaalilla on hyvä vastustuskyky muutosvyöhykkeen (HAZ) herkistymistä vastaan. Lämmöntuonti hitsauksessa on kuitenkin pidettävä mahdollisimman pienenä./23/ 3.2. Teräksen EN 1.4512 ominaisuudet Materiaalin kemiallisella koostumuksella on tuotannon prosessiparametrien lisäksi suuri merkitys sen ominaisuuksiin. Eri ainesosat ja niiden seostussuhteet vaikuttavat niin mekaanisiin kuin muovattavuusominaisuuksiinkin. Taulukossa 2 on esitetty laadun EN 1.4512 tärkeimmät ainesosat. Esimerkiksi titaani- ja niobistabiloinnilla saadaan vähennettyä esimerkiksi ferriittisissä laaduissa syvävedossa usein ilmenevää roping-ilmiötä./4/ Taulukko 2. Tyypillinen EN 1.4512 teräksen kemiallinen koostumus/23/ C Cr Ni Ti Fe EN 1.4512 0,01 11,5 0,1 0,2 Bal. Laadun 1.4512 lujuusominaisuudet (taulukko 3), kuten myötöraja (R p0,2 ) ja alhainen muokkauslujittuminen ovat verrattavissa austeniittiseen 1.4301 laatuun. Stabiloinnin johdosta 1.4512 laadun r-arvo on korkeampi verrattuna esimerkiksi stabiloimattomaan 1.4016 laatuun. Näiden ominaisuuksien johdosta se on erittäin hyvä materiaali syvävetoon ja muihin vastaaviin muovattavuussovelluksiin./23/ Taulukko 3. Kylmävalssatun materiaalin mekaaniset ominaisuudet/1/,/23/ R p0,2 R m A n r r (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) % EN 1.4512 min. 210/220 380 560 min. 25 0,16-0,23 1,5 0,3
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 31 Ferriittinen ruostumaton teräs EN 1.4512 soveltuu erittäin hyvin kylmämuovaukseen. Taivutussovelluksissa taivutussäteenä voidaan käyttää kohtalaisen pientä taivutussädettä. Muovattavuusominaisuudet ovat hieman heikommat kuin austeniittisella EN 1.4301 laadulla (304). Sen sijaan muihin ferriittisiin laatuihin nähden tämän rajamuovattavuus on parhaimmasta päästä (kuva 22)./14/,/29/ Kuva 22. Ferriittisten ruostumattomien terästen rajamuovattavuus verrattuna austeniitiseen 304 laatuun/14/ EN 1.4512:n hyvistä venytysmuovausominaisuuksista kertoo myös sen Erichsenin luku (taulukko 4), joka on verrattuna laadun EN 1.4016 IE arvoon hieman korkeampi, joten sen venytysmuovausominaisuudet ovat paremmat. Ohutlevyn paksuus vaikuttaa IE-arvoon lineaarisesti, kuten voidaan havaita kuvasta 23. Taulukko 4. Terästen EN 1.4512 ja EN 1.4016 Erichsenin lukuja (Thyssen Krupp) /29/ Paksuus [mm] IE [mm] EN 1.4512 IE [mm] EN 1.4016 0,5 9 8,2 1 10 9,2 1,5 11 10,2 2 12 11
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 32 Outokummun testaamat Erichsenin indeksin tulokset (kuva 23) laadulle EN 1.4512 on kerätty ensimmäisistä tuotantomittakaavan koesulatuksista. Tuon ajankohdan jälkeen on tehty kyseisen teräslajin osalta kehitystyötä tuotantoprosessiin liittyen. Niillä on aina jossain määrin vaikutusta myös muovattavuusominaisuuksiin. Tavoitteena on ollut tietenkin edelleen parantaa jo hyväksi todettua tasoa./19/ IE [mm] 15,00 14,00 13,00 12,00 11,00 10,00 9,00 8,00 EN 1.4512 Erichsen indeksi 1,00 2,00 3,00 4,00 Paksuus [mm] Kuva 23. Erichsen indeksi EN 1.4512 (Outokumpu Tornio)/19/ Kuten jo edellä mainittiin, on laadulla EN 1.4512 suurempi r-arvo kuin EN 1.4016 laadulla. Korkeampi r-arvo kertoo paremmasta syvävedettävyydestä, kuten myös korkeampi rajavetosuhde, joka laadulla EN 1.4016 (430) on noin 2,15 ja laadulla EN 1.4512 (409) jopa 2,2 (kuva 24). /2/ Kuva 24. Ferriittisten ruostumattomien terästen rajavetosuhdearvoja verrattuna austeniittiseen 304 laatuun/14/.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 33 4. KOKEELLINEN TUTKIMUS Edellä esiteltyyn teoriaan pohjautuen suoritettiin vastaavia muovattavuuteen liittyviä kokeita Kemi-Tornion ammattikorkeakoulun rikkovan aineenkoetuksen laboratoriossa. Suoritetuilla kokeilla oli tarkoitus selvittää kokeellisesti, kuinka ferriittinen ruostumaton teräs EN 1.4512 käyttäytyy venytysmuovauksessa ja syvävedossa. Saatujen tulosten avulla voidaan helpottaa kyseisen materiaalin valintaa eri muovausprosesseihin sekä helpottaa käytettävien koemenettelyjen soveltamista tulevaisuudessa vastaaviin testeihin. 4.1. Testauslaitteisto ja suoritetut testit Testaukset suoritettiin Kemi-Tornion ammattikorkeakoulun rikkovan aineenkoetuksen laboratoriossa seuraavilla laitteistoilla: Erichsen 145 60 ohutlevyjen muovattavuustutkimuslaite, jolla testattiin rajavetosuhde, rajamuovattavuus, Erichsenin luku. Zwick Allround-floor 250 kn vetokone, jolla suoritettiin vetokoe materiaalin mekaanisten ominaisuuksien sekä n- ja r-arvojen määrittämiseksi. GOM-venymäanalysaatori, jota käytettiin online-mittauksiin rajamuovattavuuden määrittämisessä sekä vetokokeen aikaisissa mittauksissa r-arvojen määrittämiseksi. 4.2. Testatut materiaalit Edellä mainitut kokeet suoritettiin ferriittiselle ruostumattomalle teräkselle EN 1.4512 levyvahvuuksille 1,0 ja 1,5 mm, sekä lisäksi tehtiin rajamuovattavuuden määritys 0,5 mm vahvalle EN 1.4016 kiiltohehkutetulle ferriittiselle ruostumattomalle teräkselle ja 0,6 mm vahvalle EN 1.0306 syvävetoteräkselle. Testattavat näytteet valmistettiin Torniossa Jaloterässtudiolla toimitettujen piirustusten ja ohjeiden mukaan (liitteet 2/1,2/2,3/1 ja 3/2). Naka-
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 34 jima testin näytteet leikattiin levytyökeskuksella lukuun ottamatta EN 1.4016 laatua, joka työstettiin laserleikkauksella. Vetokoesauvat leikattiin ensin levytyökeskuksella ja sen jälkeen koneistettiin lopullisiin mittoihin. 4.2.1. Rajamuovattavuuden kokeellinen määrittäminen Testaus suoritettiin standardin ISO 12004-2 mukaan taulukon 5 mukaisille näytteille. Testattuja näytegeometrioita oli viisi ja kutakin geometriaa (liite 2/1) viisi samanlaista jokaisesta levyvahvuudesta. Näytteet leikattiin levystä viiden peräkkäisen näytteen sarjoina levyn leveydestä (liite 2/2). Taulukko 5. Nakajima testin näytteet Menetelmä Materiaali Näyteaihio (Liite) Testi Laite Laatu paksuus Geometria Määrä [mm] FLC Erichsen 145-60 EN 1.4512 1 A 5 Nakajima Gom/Aramis B 5 C 5 D 5 E 5 EN 1.4512 1,5 A 5 B 5 C 5 D 5 E 5 EN 1.4016 0,5 A 5 B 5 C 5 D 5 E 5 EN 1.0306 0,6 A 5 (DX 54) B 5 C 5 D 5 E 5 Näyteaihiot puhdistettiin etanolilla ja maalattiin epäsäännöllisellä spraymaalauskuvioinnilla ennen testauksia. Testaukset suoritettiin Erichsen 145-60 -laitteella
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 35 yhteistyössä GOM:n kamerajärjestelmän kanssa liitteenä olevan ohjeen mukaisesti (liite 1). Näytteet testattiin yksi geometria kerrallaan, käyttäen jokaisen näytteen testauksessa näytteen ja painimen välissä kahta ohutta teflonkalvoa ja yhtä 3 mm:n vahvuista pehmeää PVC-levyä sekä niiden jokaisella pinnalla rasvaa. Lisäksi painimen pää ja näytteen alapinta voideltiin ohuesti rasvalla. 4.2.2. Erichsenin luvun kokeellinen määrittäminen Erichsenin luvun määrittämisessä materiaalille EN 1.4512 käytettiin standardissa SFS-EN ISO 20482 annettuja ohjeita. IE-luku määriteltiin taulukossa 6 esitetyille levyvahvuuksille, testausmenetelmänä oli Erichsen no. 27, jolla testattavat sallitut levyvahvuudet olivat 0,1 mm:stä 2,0 mm:iin. Näyteaihioina käytettiin 100 mm leveää valssaussuuntaan leikattua suikaletta, johon suoritettiin kolme onnistunutta koetta 100 mm välein (kuva 41, liite 4/4). Taulukko 6. Erichsenin kupinvenytystestin näytteet ja parametrit Menetelmä Materiaali Näyteaihio Koe Testi Laite Laatu Paksuus [mm] Leveys [mm] Näyteväli [mm] SHF [kn] v [mm/min] IE no:27 Erichsen EN 1.4512 1 100 100 10 15 EN 1.4512 1,5 100 100 10 15 Näyteaihiot voideltiin ohuesti molemmin puolin ennen kokeita standardin suosittelemalla grafiittirasvalla kitkan pienentämiseksi. Näytteet koestettiin Erichsen 145-60 ohutlevyjen muovattavuustutkimuslaitteella käyttämällä taulukossa 6 olevia pidinvoima- ja nopeusparametreja. Testauksessa käytetyt pidin- ja vastinrenkaat sekä painin olivat testille Erichsen no. 27 annetun standardin ohjeen mukaiset.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 36 Kuva 25. Painimenliike (vaaka-akselilla) ja muovausvoima (pystyakselilla) Erichsenin testistä Painuman syvyyden arvot saatiin suoraan painimen liikkeen mukaan Erichsen laitteeseen kuuluvasta MES ohjelmistosta (kuva 25). Standardin mukaan tuli painuman syvyys mitata siinä pisteessä, jossa painuman laelle on syntynyt läpimurtuma, josta näkyy valo läpi. Erichsen-laitteessa oli käytettävä testauksen lopussa viivettä, joka aiheutti maksimivoiman pysymisen viiveen ajan ja näin ollen läpimurtuma saatiin aikaiseksi. Viiveen pituus saatiin selville muutamalla testi kokeella ja sopiva arvo tälle testatulle ferriittiselle ruostumattomalle teräkselle oli 0,5-0,7 s. 4.2.3. Rajavetosuhteen kokeellinen määrittäminen Rajavetosuhdetestaukset suoritettiin ferriittiselle ruostumattomalle teräkselle EN 1.4512 Erichsen 145-60 ohutlevyjen muovattavuustutkimuslaitteella. Testaukset suoritettiin taulukon 7 mukaisille näytteille, joiden halkaisijoiden vaihteluväli oli yksi millimetri. Näyteaihioiden halkaisijoiden mittoja arvioitaessa käytettiin apuna kuvasta 24 saatua tietoa vastaavan laadun 409 LDR-arvosta, joka oli hieman alle 2,20. Rajavetosuhteen laskentakaavaa 7 käyttämällä saatiin selville, että halkaisijaltaan 50 mm:n painimelle saadaan aihion halkaisijaksi 110 mm käytettäessä maksimi rajavetosuhteen arvona 2,20. Olemassa ole-
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 37 van tiedon perusteella tiedettiin, että rajavetosuhde pienenee paksumpaan levyvahvuuteen siirryttäessä, joten voitiin arvioida aihioiden koot alkaen ohuimmasta materiaalista käyttäen hyväksi edellä mainittua aihion halkaisijaa. Taulukko 7. Rajavetosuhdekokeissa käytetyt aihiot ja parametrit Menetelmä Materiaali Näyteaihio Koe Testi Laite Laatu Paksuus [mm] Ø [mm] Määrä Toistot Rengas SHF [kn] Swift Erichsen EN 1.4512 1 110 119 30 3*Ø 52,24 (1) 16 28 50mm EN 1.4512 1,5 109 114 18 3*Ø 54,80 (2) 16 24 Syvävetorenkaat valittiin kokeisiin materiaalin vahvuuden mukaan, mutta 1,5 mm:n vahvuisille levyille oli käytettävä paksummalle (2 mm) materiaalille tarkoitettua rengasta. Suuremman renkaan vaikutus testin tuloksiin oli lähinnä kupin ulkopinnan muodossa, joka oli hieman ulospäin pullistunut. Taulukossa 7 renkaan dimensiosarakkeessa oleva lukema on renkaan sisähalkaisijan mitta ja suluissa on ilmoitettu kyseisen renkaan sallittu levyvahvuus. Aihion pidinvoimaa arvioitaessa käytettiin apuna pidinvoiman laskentakaavaa 8, koska sillä saatava voima oli pienempi kuin kaavalla 9 saatava arvo. Pidinvoimien laskennassa käytettiin etäisyyskertoimen arvona kolmea ja vetomurtolujuudenarvona 470 N/mm 2. Näiden laskettujen pidinvoimien arvojen avulla helpotettiin testauksen aikaisten parametrien valintaa testausohjelmassa. Ennen kokeiden suoritusta näyteaihiot puhdistettiin liasta ja metallipölystä sekä poistettiin mahdolliset jäysteet reunoista. Aihioiden toiselle pinnalle laitettiin ohut muovikalvo (PE-LD), jonka tarkoituksena oli rasvan lisäksi vähentää kitkaa ja estää aihion pinnasta irtoavan materiaalin takertuminen vetorenkaan pintaan, mikä ferriittisellä ruostumattomalla teräksellä on osoittautunut ongelmaksi syvävedossa. Koetta varten näyteaihioiden molemmat pinnat voideltiin ohuesti rasvalla. Jokaista levyvahvuuden halkaisijaa kohti tehtiin kolme toistoa, jotta saatiin luotettavuutta tuloksiin.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 38 4.2.4. Mekaanisten ominaisuuksien kokeellinen määrittäminen vetokokeella Vetokokeet suoritettiin Zwick Allround-floor 250 kn -vetokoneella ja venymien mittauksiin käytettiin ekstensiometrien lisäksi Aramis-mittausanalysaattoria venymien onlinemittauksiin. Kokeet suoritettiin ferriittiselle ruostumattomalle teräkselle EN 1.4512, josta testattiin vahvuudet 1 ja 1,5 mm. Testatusta materiaalista valmistetut työstetyt vetokoesauvat olivat liitteen 3/1 piirustuksen mukaiset. Työstettyjen kavennettujen vetokoesauvojen päämitat on valittu standardin suosittelemien arvojen mukaan. Koepituus (L c ) vetokoesauvoissa oli 110 mm ja ekstensiometrien mittavälinä käytettiin 80 mm, jotta saatiin kameroille näkyvä mittausalue riittävän laajaksi. Taulukko 8. Testatut vetokoesauvat Vetokoe Materiaali Valssaussuunta laatu paksuus 0 45 90 EN 1.4512 1 5 5 5 1,5 5 5 5 Vetokoesauvoja oli viisi kutakin tyyppiä (taulukko 8) ja ne oli leikattu levyistä 0, 45 ja 90 :een -suuntaisesti valssaussuuntaan nähden (liite 3/2). Vetokoesauvat maalattiin stokastisella spray-maalauskuvioinnilla ennen koetta ARAMIS-mittauksia varten. Vetotapahtumat kuvattiin Aramiksella (kuva 37, liite 4/2). Kuvatuista kuvista määritettiin r-arvot valitsemalla vertailuun alkutilanteen kuva ja 15 %:n venymän kohdalla otettu kuva. Vetotapahtuman loppupään kuvista selvitettiin muodostuvan kurouma-alueen esiintyminen, jotta voitiin piirtää pitkittäinen ja poikittainen referenssimittaviiva tämän alueen kohdalle (kuva 38, liite 4/3). ARAMIS-ohjelmasta saatiin suoraan selville mittaviivojen alku- ja loppupituudet (l 0, b 0, l ja b), joista laskettiin r-arvot kaavaa 14 käyttäen. Kesimääräinen r- ja rarvo laskettiin lopuksi kaavoja 16 ja 17 käyttäen.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 39 5. TULOKSET, TULOSTEN TARKASTELU JA ESIINTYNEET ONGELMAT 5.1. Rajamuovattavuus Rajamuovattavuustestaukset osoittautuivat melko haasteellisiksi, koska kokeiden aikana esiintyi erilaisia ongelmia sekä materiaalin käyttäytymisen, stokastisen maalauksen ja kuvauksen osalta. Vaikka kitkan poistamiseksi käytettiinkin materiaalin ja painimen välissä standardin suosittelemaa monimutkaisempaa voitelumenetelmää, oli ongelmana joissakin näytegeometrioissa repeämän sijoittuminen liian kauas kuvun laelta. Tämä ongelma esiintyi B-geometrian näytteissä, jotka sijoittuvat rajamuovattavuuskäyrän alimpaan pisteeseen. Stokastisen maalauksen tasainen laatu oli tärkeä tekijä kuvausten onnistumisessa. Näytteiden maalauksen liian vaimeat kontrastit sekä liian suuret maaliroiskeet huononsivat Aramiksen kykyä tunnistaa näytteen pinta ja näin aiheuttivat epätarkkuutta sen tuottamiin kuviin, joihin aiheutui tunnistamattomia alueita. Suurempia kuvauksissa ilmenneitä muovauksen loppuvaiheen tunnistusongelmia esiintyi varsinkin A-geometrian näytteissä, vaikka stokastisen maalauksen kuviointi oli samanlainen kuin muiden näytteiden. Kuvauslaadun parantamiseksi kamerajärjestelmä uudelleen tarkennettiin ja kalibroitiin useaan kertaan, maalattiin näytteet uudelleen, kokeiltiin suuremman halkaisijan omaavia muoveja painimen ja näytteen välissä sekä muutettiin näytteen pidinvoimaa. Ongelmaan ei löydetty syytä, joten voidaan vain arvailla, vaikuttaisiko mahdollisesti jokin ulkoinen tekijä kyseiseen asiaan. 5.1.1. EN 1.4512 rajamuovattavuus Materiaalin EN 1.4512 rajamuovattavuustestauksissa esiintyi ongelmia, jotka vaikeuttivat käyrän generointia. A-geometrian näytteiden muovaustapahtuman kuvauksissa ilmeni Aramiksella selittämättömiä tunnistusongelmia, jotka aiheuttivat kuviin reikiä eli tunnistamattomia kohtia (kuva 35, liite 4). Näiden näytteiden tuloksia, joissa tunnistamattomat alueet olivat suuria, ei voitu käyttää rajamuovattavuuskäyrän muodostamiseen. Joidenkin
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 40 näytteiden kohdalla, joissa esiintyi pienempiä reikiä, jouduttiin kuvia paikkaamaan, jotta niistä saatiin käyttökelpoiset käyrän muodostamiseen. Kuva 26. FLC EN 1.4512 (2B 1,0 mm) Vahvuudeltaan 1 mm olevan laadun EN 1.4512 (kuva 26) rajamuovattavuuskäyrän luomisessa on käytettyjen näytteiden määrä riittävä, vaikka ongelmia esiintyikin A-geometrian näytteissä. Näitä kokonaisia näytteitä testattiin ongelmien vuoksi ylimääräisiä niin monta, että saatiin vähintään kolme käyttökelpoista muovaustulosta. Vahvemman 1,5 mm paksun levyn testaukset olivat myös ongelmallisia A-geometrian tunnistamisongelmien vuoksi, joten siitä muodostettu rajamuovattavuuskäyrä (kuva 27) on muodostettu vajaasta näytemäärästä. Tämän vahvemman laadun EN 1.4512 rajamuovattavuuskäyrä vastaa muodoltaan ohuemman levyn käyrää lukuun ottamatta syvävetopuolen viimeisen näytegeometrian tuloksia, jotka jäävät hieman alemmas.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 41 Kuva 27. FLC EN 1.4512 (2E 1,5 mm) 5.1.2. EN 1.4016 rajamuovattavuus vs. EN 1.4512 Kiiltohehkutetun EN 1.4016 rajamuovattavuuskäyrä (kuva 28) vastaa muodoltaan ja sijainniltaan melko lailla kyseiselle materiaalille aikaisemmin määritettyä käyrää. Tämän materiaalin rajamuovattavuustestauksissa ei esiintynyt suurempia ongelmia, mutta jostain syystä käyrän generoinnissa Aramis hylkäsi osan näytteistä, joten käyrä on muodostettu pienemmällä näytemäärällä kuin standardi suosittelee. Laadun EN 1.4016 muovattavuusominaisuudet jäävät muodostettujen rajamuovattavuuskäyrien perusteella hieman huonommiksi kuin laadulla EN 1.4512, vaikkakin kyseessä on ohuempi materiaali. Ohutlevyn paksuus vaikuttaa aina jonkin verran rajamuovattavuuskäyrän sijaintiin diagrammissa, joten vertailtavien materiaalien tulisi olla saman vahvuisia. Käyrien muodot ovat molemmilla materiaaleilla melko samanlaiset ja FLC 0 sijaitsee molemmilla materiaaleilla hieman vaaka-akselin nollakohdan oikealla eli positiivisella puolella, niin kuin ruostumattomille teräksille on ominaista.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 42 Kuva 28. FLC EN 1.4016 (2R 0,5 mm) 5.1.3. EN 1.0306 rajamuovattavuus Sinkityn syvävetoteräksen rajamuovattavuustesteissä suurimmat ongelmat tulosten saamiseksi olivat näytteiden repeäminen liian kaukaa kuvun laelta. Näiden ongelmien vuoksi materiaalin rajamuovattavuuskäyrä (kuva 29) on muodostettu pienemmästä määrästä näytteitä kuin standardi suosittelee. Kaksi leveintä näytegeometriaa osoittautuivat ongelmallisiksi juuri repeämiskohdan sijainnin vuoksi.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 43 Kuva 29. FLC EN 1.0306 (DX 54D 0,6 mm) Vertailumateriaalina testattu sinkitty syvävetoteräs EN 1.0306 vaikuttaisi olevan rajamuovattavuuskäyrän mukaan huomattavasti paremmin muovattavaa kuin testatut ruostumattomat teräslaadut. 5.2. Rajavetosuhde LDR-maksimiarvot laskettiin viimeisen kolmen sarjan ehjän kupin (kuva 40, liite 4) alkuperäisten aihioiden mukaan kaavaa 7 käyttäen. Yleisesti käytetään kaavan 7 avulla laskettua tulosta, koska sillä saadaan tarkasti maksimiarvo rajavetosuhteelle. Kaavan 6 käyttämistä hankaloittaa syvävedetyn kupin halkaisijan vaihtelu valssaussuuntaan ja sitä vasten kohtisuoraan sekä korkeussuuntaiset vaihtelut halkaisijassa. Ohuemmilla levyvahvuuksilla liian alhaiset laskennalliset pidinvoimien arvot aiheuttivat runsasta rypyttymistä kupin helmoihin, joten pidinvoimia oli kasvatettava jopa 10 kn:lla. Paksummilla levyvahvuuksilla laskennallinen pidinvoiman arvo oli sopiva. Korvat muo-
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 44 dostuivat syvävedettyihin kuppeihin 0 ja 90 :een kohdalle valssaussuuntaan nähden, joten r-arvon tulisi olla suurempi kuin nolla. EN 1.4512 LDR LDR 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 1,9 2 1,8 1,7 1,6 1,5 2,38 2,26 LDR 1 1,5 Paksuus [mm] Kuva 30. Rajavetosuhde EN 1.4512 (1 mm ja 1,5 mm) Rajavetosuhteen arvoiksi kahdelle testatulle levyvahvuudelle (kuva 30) saatiin huomattavasti suurempia arvoja kuin kirjallisuuslähteestä saatavalle vertailuarvoille (kuva 24), joka oli noin 2,20. 5.3. Erichsenin luku Materiaalille EN 1.4512 suoritettujen Erichsenin testien tulokset (taulukko 9) vastaavat kyseisen materiaalin vertailuarvoja, joita on käsitelty kappaleessa 3.1. Erichsen testin suorittaminen Erichsen ohutlevyjen muovattavuustutkimuslaitteella onnistui erittäin helposti standardin määrittämillä ohjeilla ja tarkat tulokset painumien syvyyksistä saatiin helposti Excel-taulukkomuotoon MES ohjelmistosta. Taulukko 9. IE-arvot laadulle EN 1.4512 Testi Laatu Paksuus IE [mm] Erichsen no.27 EN 1.4512 1 10,3 EN ISO 20482 EN 1.4512 1,5 10,9
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 45 5.4. Mekaaniset ominaisuudet Vetokokeesta saadut mekaaniset tulokset ovat laadulle EN 1.4512 annettujen arvojen sallimissa rajoissa. Lähelle nollaa sijoittuva positiivinen r-arvo todistaa Swiftin kokeessa havaitun korvien muodostumisen 0 ja 90 :en kohdalle valssaussuuntaan nähden. Melko korkea keskimääräinen r-arvo puolestaan kertoo hyvästä syvävedettävyydestä, joka myös ilmeni rajavetosuhdekokeissa varsinkin 1 mm:ä vahvalla materiaalilla, jonka r-arvo on korkeampi (taulukko 10). Taulukko 10. EN 1.4512 r-arvot ja mekaaniset ominaisuudet (90 ) paksuus r-arvo n-arvo R p0.2 R m A g A 80mm Laatu [mm] r 0/15 r 45/15 r 90/15 r 15 r 15 n 10-15/Ag n 2-20/Ag MPa MPa % % EN 1.4512 (2B) 1,0 1,7 1,6 2,6 1,9 0,5 0,18 0,16 361 478 18 31 EN 1.4512 (2E) 1,5 1,2 1,5 2,1 1,6 0,2 0,17 0,16 349 470 17 32
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 46 6. YHTEENVETO Ohutlevyjen rajamuovattavuuden ja muiden materiaaliominaisuuksien selvittäminen oli mielenkiintoinen haastava tehtävä. Muovattavuustutkimusmenetelmiin perehtyminen ensin teorian kautta ja lopuksi kokeellisesti käytännön testeillä toi työhön laajuutta. Kokeelliset testaukset osoittivat, että aina voi esiintyä odottamattomia ongelmia ja viivästyksiä, jotka vaikeuttavat toivottuihin tuloksiin pääsemistä. Työssä päästiin kuitenkin melko hyvin asetettuihin tavoitteisiin, vaikka alkuperäisen projektisuunnitelman mukaista koematriisia ei täysin pystytty toteuttamaan tutkimusmateriaalien ja näytteiden valmistuksen viivästymisten vuoksi. Tärkeimpänä tavoitteena ollut rajamuovattavuuskäyrän määritys saatiin toteutettua testauksissa ilmenneistä ongelmista huolimatta. Rajamuovattavuuskäyrän toteuttamiseksi Erichsen muovattavuustutkimuslaitteella ja GOM:n venymäanalysaattorilla tulevat jatkossa helpottumaan, koska toimintatapa ja mahdollisesti esiintyvät ongelmat ovat tiedossa. Muovattavuutta, syvävedettävyyttä ja materiaalin mekaanisia ominaisuuksia erilaisilla menetelmillä tutkimalla saatiin selvitettyä laaja-alaisesti tutkitun ferriittisen ruostumattoman teräksen soveltuvuutta muovausprosesseihin. Jatkotutkimuksen aiheita yhdessä materiaalissa kyseisten testien osalta voisi olla paksuuden muutoksen ja pinnanlaatujen käyttäytymisen tarkastelu laajemmalla koematriisilla. Eri materiaalien vertailu saman levyvahvuuden tuotteista voisi myös olla mielenkiintoinen jatkotutkimusaihe varsinkin rajamuovattavuuden ja syvävedettävyyden osalta. Mielenkiintoisena kohteena olisi tietysti myös tarkastella jonkin konkreettisen muovattavan tuotteen venymiä ja tarkastella mille alueella rajamuovattavuuskäyrää siinä esiintyvät venymät sijoittivat.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 47 7. LÄHDELUETTELO /1/ ATI Allegheny Ludlum, Stainless Steel AL 409HP, [pdf-dokumentti], [http://www.alleghenytechnologies.com/ludlum/documents/al409hp.pdf], 23.9.2010. /2/ Charles, J, Mithieux, J.D, Santacreu, P.O, Peger, L, The Ferritic Stainless Steel Family: The Appropriate Answer to Nickel Volatility, [pdf-dokumentti], [http://www.fdp.nl/fil/ferritic_stainless_steels%201.pdf], 31.8.2010. /3/ ERC/NSM, How to Draw Round Cups Deeper, [www-dokumentti], [http://www.thefabricator.com/article/tooladdie/how-to-draw-round-cups-deeper], 20.9.2010. /4/ Euro Inox, Ruostumattomien terästen muovaamisen mahdollisuudet, [pdfdokumentti], [http://www.euro-inox.org/pdf/map/formingpotential_fi.pdf], 30.9.2010. /5/ European Aluminium Association and Matter, Sheet Forming, [www-dokumentti], http://aluminium.matter.org.uk/content/html/eng/default.asp?catid=186&pageid=21 44416735, 2.9.2010. /6/ Geiger. M, Determination of Forming Limit Diagrams A New Analysis Method for Characterization of Material Formability, [pdf-dokumentti], [http://www.sciencedirect.com], 14.9.2010. /7/ Gom, Material Properties: Determination of Process Limitations in Sheet Metal Forming - Forming Limit Diagram, [pdf-dokumentti], [www.gom.com], 15.9.2010. /8/ Gom, Aramis User Manual Software, 2008. /9/ Holmberg et al., Evaluation of Sheet Metal Formability by Tensile Tests, [pdfdokumentti], [http://www.sciencedirect.com], 20.10.2010. /10/ Hosford, William F, Caddel Robert M, Metal forming: Mechanics and Metallurgy, 3 rd edition, Cambridge University Press, 2007. /11/ ISO 10113, Metallic Materials Sheet and Strip Determination of Plastic Strain Ratio, Second Edition, International Standard, 2006. /12/ ISO 10275, Metallic Materials Sheet and Strip Determination of Tensile Strain Hardening Exponent, Second Edition, International Standard, 2007. /13/ ISO 12004-2, Metallic Materials Sheet and Strip Determination of Forming- Limit Curves, First Edition, International Standard, 2008.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 48 /14/ ISSF, The Ferritic Solution, [pdf-dokumentti], [http://www.euroinox.org/pdf/map/the_ferritic_solution_en.pdf], 31.8.2010. /15/ Joutsenvaara, Jukka, Kauppi, Timo, Advanced Strain Analysis - projektisuunnitelma, Kemi-Tornion ammattikorkeakoulu, 2010. /16/ Kilfoil, Leo Joseph, In-plane Plane Strain Testing to Evaluate Formability of Sheet Steels Used in Tubular Products, [pdf-dokumentti], [http://qspace.library.queensu.ca/bitstream/1974/731/1/kilfoil_leo_j_200709_ms CE.pdf], 15.9.2010. /17/ Kivivuori, Seppo, Muokkaustekniikan perusteet, [pdf-dokumentti], [https://noppa.tkk.fi/noppa/kurssi/mt-0.2116/materiaali/mt- 0_2116_kurssin_pruju.pdf], 3.9.2010. /18/ Kivivuori, Seppo, Levyn muovauksen menetelmät ja perusteet, Ohutlevy, 2, 2006, 58 62. /19/ Koskenniska, Janne, Erichsen kuppikoe materiaalille EN 1.4512, [excel-taulukko], sähköpostit 30.9.2010 ja 19.10.2010. /20/ Kyröläinen, Tarkiainen, Taulavuori, Ruostumattomat teräkset, 4. painos, Teknologiainfo Teknova Oy, 2008. /21/ Manninen, Timo, Seminaariesitelmä, Materia10 - Ferriittisten ruostumattomien terästen muovattavuus, 2010. /22/ Martikainen, Lasse, Ohutlevyn muovattavuuden kuvaaminen rajamuovattavuuspiirroksen avulla, Ohutlevy, 2, 2006, 52 56. /23/ Outokumpu, Product Information EN 1.4512, [pdf-dokumentti], [http://www.outokumpu.com/46956.epibrw], 31.8.2010. /24/ Sadagopan, Sriram, Formability Characterization of New Generation of High Strength Steel, [pdf-dokumentti], [http://www1.eere.energy.gov/industry/steel/pdfs/report_trp_0012.pdf], 15.9.2010. /25/ Schedin, Erik, Forming Stainless Steel, [pdf-dokumentti], [http://www.outokumpu.com/files/group/hr/documents/formingstainless.pdf], 1.9.2010. /26/ Schuler GmbH, Metal Forming Handbook, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1998. /27/ SFS-EN ISO 20482, Metallilevyjen ja -nauhojen Erichsenin kuppivenytyskoe, 1.painos, Suomen Standardisoimisliitto, 2003.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 49 /28/ SFS-EN ISO 6892-1, Metallien vetokoe Osa 1: Vetokoe huoneenlämpötilassa, 1.painos, Suomen Standardisoimisliitto, 2009. /29/ Thyssen Krupp, Stainless Steel flat Products 409 (EN 1.4512), [pdf-dokumentti], [http://www.acciaiterni.it/db/it/docpubblicazioni/409.pdf], 30.9.2010. /30/ Turetta, Alberto, Investigation of Thermal, Mechanical and Microstructural Properties of Quenchenable High Strength Steels in Hot Stamping Operations, [pdfdokumentti], [http://paduaresearch.cab.unipd.it/378/1/tesi Dottorato_Alberto_Turetta.pdf], 6.9.2010. /31/ World Steel Association, Formability, [www-dokumentti], [http://steeluniversity.org/content/html/eng/default.asp?catid=18&pageid=2081271 360], 17.9.2010.
Juntunen Päivi OPINNÄYTETYÖ 50 8. LIITELUETTELO LIITE 1 LIITE 2 LIITE 3 LIITE 4 FLC ohje FLC näytepiirustus Vetosauvan piirustus Kuvia testauksista ja näytteistä
LIITE 1/1 FLC-ohje Näytteiden geometria ja mitoitukset Aihion halkaisijaksi tulee 220 mm, jonka Erichsen laite leikkaa muovausprosessin alussa. Kavennukset tehdään etukäteen näytegeometrioiden mukaan kuva 31. Suositeltavaa olisi käyttää testeissä vähintään viittä eri geometriaa (esim. Liite 2/1). Aihioiden muut mitat pysyvät samana, mutta mitta 2 vaihtuu. Jokaisesta geometriasta on tehtävä vähintään 3 onnistunutta koetta, joten jokaista näytelajia on syytä varata ylimääräisiä. Testauksen ja käsittelyn helpottamiseksi voidaan näytteet työstää yhtenäiseen suikaleeseen peräkkäin (Liite 2/2). Ohuemmat näytteet kannattaa valmistaa yksittäisinä, koska ne taipuvat helposti kavennuksen kohdalta. Kuva 31 Näytteen mitoitus /13/ Kuvassa 31 olevien mittojen selitykset: 1 Kavennuksen suoran reunan pituus: oltava pidempi, kuin 25 % työkalun halkaisijasta. (Ø100 mm työkalulle: 1 = 25-50 mm) 2 Kavennetun kohdan leveys (vähintään viisi eri leveyttä) 3 Pyöristyssäde = 20-30 mm
LIITE 1/2 Kuva 32. Valssaussuunnat aihioissa/13/ Valssaussuunnat aihioon valitaan (kuva 32) teräkselle kohtisuoraan kavennuskohdan pituus suuntaan nähden ja alumiinille kavennuksen suuntaisesti (voidaan myös testata toiseen suuntaan valssattuja, mutta tämä on ilmoitettava tutkimusraportissa). Näytteiden työstäminen Aihioiden testialueen työstämisessä ei tulisi käyttää naarmuttavia tai muitakaan työstömenetelmiä, jotka voivat aiheuttaa näytteeseen mikrorakenteen muutoksia, muokkauslujittumista tai naarmuja. Nämä muutokset vaikuttavat testien tuloksiin ja saattavat aiheuttaa testikappaleen liian aikaisen tai väärästä kohdasta repeämisen. Muokkauslujittuneet tai muuten muuttuneet alueet tulee poistaa työstämällä. Jäysteet työstetyltä alueelta on poistettava testaustyökalujen vaurioitumisen ehkäisemiseksi. Näytteiden kuvioinnin maalaaminen GOM:n Aramis optista mittausanalysaattoria käytettäessä tulee näytteet kuvioida stokastisella spray-maalaus kuvioinnilla. Kuvioinnin kontrasti tulee valita käytettävän mittausalueen mukaan esimerkiksi 100x80 mm (kuva 33). Tarkemmat ohjeet valintaan Aramiksen ohjeista.
LIITE 1/3 Kuva 33. Stokastisen spray-maalauskuvioinnin referenssi/8/ Näytteiden maalauksen vaiheet: Puhdista näytteiden pinnat öljystä, rasvasta ja muusta liasta esimerkiksi asetonilla, etanolilla tms. Maalaa näytteen ylöspäin tuleva pinta mattavalkoisella spray-maalilla tasaisen valkoiseksi. Mustan epäsäännöllisen kuvion maalaaminen tapahtuu kevyellä ohi ruiskuttamisella niin, että suihkeesta laskeutuu valkoiselle pinnalle mustia maali pisteitä. Paina spray-paininta kevyesti niin, että suihku on tasaista, mutta ei kuitenkaan roiskivaa. Kuvioinnin tulee olla riittävän tiheää, jotta vaihtelevuutta on runsaammin. Testaus valmistelut: CCD-kamerat asennetaan kuvausvalmiuteen Erichsen laitteen sylinterin yläpuolelle (kuva 36) GOM:Aramis ohjeen mukaan Painimen ja näytteen välissä käytetään kitkan pienentämisen vuoksi standardin määrittelemiä voitelumenetelmiä. Voiteluna käytetään rasvaa ja muovikalvoja, jotka leikataan valmiiksi ympyräaihioiksi. Suositellut voitelumenetelmät testin aikana ovat: A. Matalille muovausvoimille (ohuemmille levyille tai materiaaleille, joilla on suhteellisen alhainen vetolujuus, esim. alumiini levyt < 2 mm):
LIITE 1/4 1) öljy tai rasva 2) pyöreä aihio PE tai PTFE kalvosta (paksuus esim. 0,05 mm) 3) öljy tai rasva B. Korkeille muovausvoimille (paksummille levyille tai korkean vetolujuuden omaaville materiaaleille): 1) Yksinkertainen menetelmä: kuten kohdassa A), mutta PTFE kalvo korvataan pehmeällä PVC kalvolla. 2) Monimutkaisempi menetelmä: I) öljy tai rasva II) III) IV) pyöreä aihio PE tai PTFE kalvosta (paksuus esim. 0,05 0,1 mm) öljy tai rasva pehmeä PVC levy (paksuus 3 mm) V) öljy tai rasva VI) VII) pyöreä aihio PE tai PTFE kalvosta (paksuus 0,05 0,1 mm) öljy tai rasva Kohdat I) ja VII) ovat vapaavalintaisia ja ne voidaan toteuttaa voitelemalla painin ja näytteen alapinta öljyllä tai rasvalla. Pyöreiden kalvoaihioiden tulee olla halkaisijaltaan pienempiä kuin painin työkalun halkaisija. Noin 70 80 mm on osoittautunut sopivaksi halkaisijaksi muovikalvoille. Testaus Käytetään testimenetelmänä Nakajima-testiä Erichsen muovattavuustutkimuslaitteessa. Muovaustapahtuma kuvataan GOM:n Aramis sovellusta käyttäen (kuva 34 ja 36). Testauksen vaiheet: Näyte asetetaan Erichsen-laitteen testaussylinteriin Aramis valmistellaan kuvaus valmiuteen (ohjeiden mukaan), käytetään kaksivaiheista FLC-kuvausohjelmaa. Käynnistetään Erichsen-laitteen testaus pidinvoima saavutetaan
LIITE 1/5 Otetaan Aramiksella yksi alkutilanteen kuva näytteestä ennen muovausta Käynnistetään muovaus Erichsen-laitteesta ja kuvaus Aramiksesta yhtä aikaa. Muovausvoiman tai painimen liikkeen lähestyessä arvioitua maksimiarvoa käynnistetään Aramiksessa kuvauksen toinen nopeampi vaihe (vähintään 10 kuvaa/s).
LIITE 2/1
LIITE 2/2
LIITE 3/1
LIITE 3/2
LIITE 4/1 Kuvia testauksista ja näytteistä Kuva 34. FLC-kuvauksia Aramis ja Erichsen Kuva 35. Kuvauksessa esiintyviä ongelmia (Aramis)
LIITE 4/2 Kuva 36. Kamerajärjestelmä Erichsenin päällä Kuva 37. Kameroiden sijainti vetokoneella
LIITE 4/3 Kuva 38. Vetokoe kuvattuna Aramiksella Kuva 39. Testatut Nakajima-näytteet
LIITE 4/4 Kuva 40. Swift-rajavetosuhdenäytteet Kuva 41. Testatut IE-näytteet